应用于卫星导航定位系统的微带阵列天线设计

摘要

卫星导航定位系统的发展最早起源于美国，目前该系统已广泛应用于军事和民事领域。天线作为卫星导航定位系统信号发射和接收的重要组成部分，近年来由于需求的不断变化也面临着诸多挑战。全文以实际工程项目为背景，从理论推导和软件仿真着手，重点研究了我国卫星定位导航系统中接收天线的实现方法。主要工作包括以下三个方面：
　　 第一部分：单元天线的设计。从圆极化微带天线设计理论着手，分别设计了两种结构简单、增益较高的卫星定位导航单元天线：A类单点馈电天线和B类单点馈电天线。通过仿真软件CST对两种单元天线的各项频域特性进行了比较，选出性能更优越的B类单元天线作为项目阵列的基本单元。在中心频率2.49175GHz，尺寸为37.6×36.09mm2的B类单元天线在最大方向的增益为7.8dB，右旋圆极化增益比左旋增益大14dB，6dB极化轴比宽度为170°。
　　 第二部分：阵列天线的设计。研究了阵列天线的组阵形式和馈电方法，利用已有单元天线进行两种阵列形式的组阵：1×8线阵和2×4面阵。通过仿真软件CST对两种阵列在结构尺寸、阵列增益、极化轴比等方面进行对比，选出具有结构紧凑、增益较高的2×4面阵进行加工，在微波暗室中使用矢量网络分析仪E8363B进行测量，在2.47～2.52GHz的频段内驻波比低于1.5∶1，E面方向图最大增益为15.8dB，3dB波束宽度为18°，H面方向图最大增益为15.6dB，3dB波束宽度为42°，测试结果完全满足工程指标要求，证实了设计方法的正确性。
　　 第三部分：馈电网路的设计。研究了微带功分器的设计原理及方法，通过ADS和CST仿真软件，设计了一个与阵列主体相分离的三级二等分微带功率分配器，实现了一分八的功率分配功能。使用矢量网络分析仪E8363B对加工实物进行测试，在2.44GHz～2.54GHz频段驻波比低于1.1∶1，插入损耗S21低于9.3dB、隔离度S23介于-22～-26dB之间，测试结果表明，该功率分配器具有反射少、插损小、隔离度高等性能，完全符合设计要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1卫星导航定位系统发展概述

1.2卫星定位导航天线的主要特点

1.3微带天线最新发展及趋势

1.4论文研究内容及主要工作

第二章卫星定位导航天线设计中的圆极化技术

2.1概述

2.2极化的基本原理和主要参数

2.3圆极化波的主要特性

2.4圆极化天线的分类

2.5圆极化天线设计理论

2.5.1单点馈电矩形圆极化天线实现原理

2.5.2单点馈电矩形圆极化天线实现步骤

2.6本章小结

第三章卫星定位导航天线单元设计

3.1技术指标

3.2 A类馈电单元天线的设计与仿真

3.2.1单元天线结构尺寸的理论计算

3.2.2单元天线结构尺寸的仿真优化

3.2.4切角深度的仿真优化

3.3 B类馈电单元天线的设计与仿真

3.3.1介电常数仿真优化

3.3.2贴片尺寸及馈电位置仿真优化

3.4 A类与B类馈电单元天线仿真结果对比分析

3.5本章小结

第四章卫星定位导航天线阵列的设计

4.1概述

4.2微带阵列的基本辐射理论

4.2.1线阵的基本辐射原理

4.2.2平面阵的基本辐射原理

4.3微带阵列天线的馈电方法

4.3.1并联馈电网络

4.3.2串联馈电网络

4.4馈电网络的设计

4.4.1微带功分器的设计方法

4.4.2微带功分器的仿真优化

4.4.3微带功分器的实物加工与测试

4.5卫星定位导航天线的设计与仿真

4.5.1 1×8线阵结构设计与仿真

4.5.2 2×4面阵结构设计与仿真

4.5.3八单元线阵与面阵结构性能对比分析

4.5.4卫星定位导航阵列天线加工及测试

4.6本章小结

第五章结论与展望

5.1本文工作总结

5.2未来工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果